JP2008027842A - 燃料電池装置、その制御装置、制御方法及びプログラム - Google Patents

燃料電池装置、その制御装置、制御方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池装置の起動方法に関し、規定出力に達するまで電圧と電流、時間により段階的に負荷を可変することで、始動時に係る時間を短縮することを目的とする。また、安定的な負荷運転をすることで信頼性の高い燃料電池装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の燃料電池装置は、起動用負荷と、燃料電池に定常用負荷と起動用負荷のいずれかを接続する負荷切換手段と、起動用負荷の値を調整する負荷調整手段とを有し、燃料電池の起動時において、負荷切替手段は燃料電池の負荷を起動用負荷に切り替え、負荷調整手段は、起動用負荷の負荷を段階的に増加させ、起動用負荷が規定負荷に達したときに、負荷切替手段は、燃料電池の負荷を起動用負荷から定常用負荷へ切り替えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体燃料等を用いる燃料電池装置に関し、特に、パーソナル・コンピュータや携帯端末装置等の電源として好適な燃料電池装置、その制御装置、制御方法及びプログラムに関する。
燃料電池は、燃料と空気中の酸素を電気化学的に反応させて燃料から電気エネルギーを取り出すものである。燃料電池における燃料自体の理論的なエネルギー密度は、リチウムイオン電池に比べて数倍高い。燃料に比べて燃料電池の発電部を小さくし、効率良く反応することができれば、二次電池をはるかに超えるエネルギー密度を達成できる可能性がある。このような背景からリチウムイオン二次電池に替わる電源として燃料電池に注目が集まっている。
燃料電池は、使用する電解質の種類によってアルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、固体高分子形に分類される。携帯用電子機器に搭載する燃料電池には、小型化および軽量化に適した構造で、取扱い易く、起動や停止が容易で、衝撃や振動に強いことが求められる。固体高分子形燃料電池は高分子膜を電解質とする全固体型である。
更に、固体高分子形燃料電池は、構造が単純で、低温でも動作し、起動や停止動作が速いという特徴を持つため、携帯用電子機器の燃料電池として適している。特に小型の携帯用電子機器には、メタノールのエネルギー密度の高さと貯蔵のしやすさ、電池構造の簡略さ等から、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）が採用されている。
燃料電池は、陽子又は電子を透過できる物質として高分子電解質膜を配置し、この電解質膜の一面側に燃料極、その他面側に空気極を配置し、燃料極にはメタノール水溶液等の水素成分を含んだ液体燃料、空気極には酸素成分を含んだ空気を供給する構造である。電解質膜では、燃料極側の液体燃料から水素陽子を透過させ、空気極側の空気中の酸素と結合させる。この結合によって、液体燃料内の水素に残留する電子が電気として外部に取り出されるので、電池として機能する。
高分子電解質膜を使用し、メタノール水溶液を直接燃料極側に供給するいわゆる液体供給形燃料電池では、通常、動作終了時に燃料電池の寿命延命処理として、高分子電解質膜に燃料が接しないように水による電解質膜浄化や空気による燃料除去などの終了処理を行う。このため、再度起動する場合、高分子電解質膜に液体燃料を浸透させる必要がある。
そして、高分子電解質膜に液体燃料が浸透していない状態での燃料電池使用は、出力が大幅低下した状態での使用となる場合がある。また、負荷変動に対して瞬時に出力低下を起こすなど、安定した出力が得られない。また、高分子電解質膜に液体燃料が浸透していない状態で大きな負荷を与えた状態から必要出力に達するまでには多大な時間を必要とするなど、携帯用電子機器用電源としては不適切な状態となる。
以上の背景から、高分子電解質膜への燃料浸透状況を燃料電池の電圧値などから推定し、適正な時間にて燃料電池を使える状態にするための制御方法が必要となる。そこで、燃料電池に燃料を供給開始し、燃料電池出力電圧が制限電圧に達したとき起動用抵抗をスイッチにより接続し、燃料電池が過電圧にならないようにインバータで出力電圧を制御し、燃料電池の負荷状態を調整する方法（例えば、特許文献１）、また、燃料電池の直流出力電圧が負荷を取り始めるのに十分な値にまで確立した後にインバータを起動し、スムースに負荷運転に入る方法（例えば、特許文献２）等が存在している。
特開昭６４−１２４６５号公報 特開平４−２６７０６６号公報
既述の特許文献１及び２の燃料電池装置の起動方法は、燃料電池本体からの直流出力電圧値を監視し、この直流出力電圧がスタックの電圧分布が一様となるような所定値に達した時点でインバータを起動し、発振させて負荷運転に移行する構成である。ここでインバータはそれ自身がもつ電圧制御機能により起動用負荷に印加される電圧を調整し、その負荷電力を増減する。このような手段により、起動時の燃料電池電圧を許容レベル以下に保ち、燃料電池本体に急変を与えることなく連続的に電圧制御を行うことができる。
しかしながら、この燃料電池装置の起動方法では、負荷電力を徐々に可変して、燃料電池の出力を本来の出力に到達させるような効率のよい運転が実現できないという問題点がある。
そこで、本発明の目的は燃料電池装置の起動方法に関し、規定出力に達するまで電圧と電流、時間により段階的に負荷を可変することで、始動時に係る時間を短縮することにある。
また、本発明の他の目的は、安定的な負荷運転をすることで信頼性の高い燃料電池装置を搭載した電子機器の提供にある。
本発明の燃料電池装置は、起動用負荷と、燃料電池に定常用負荷と起動用負荷のいずれかを接続する負荷切換手段と、起動用負荷の値を調整する負荷調整手段とを有し、燃料電池の起動時において、負荷切替手段は燃料電池の負荷を起動用負荷に切り替え、負荷調整手段は、起動用負荷の負荷を段階的に増加させ、起動用負荷が規定負荷に達したときに、負荷切替手段は、燃料電池の負荷を起動用負荷から定常用負荷へ切り替えることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置の負荷調整手段は、燃料電池の出力電流が規定値の電流以上と判断すると、起動用負荷の増加を制限することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置の負荷調整手段は、燃料電池の出力電圧が規定値の電圧以下と判断すると、起動用負荷の増加を制限することを特徴とする。
また、本発明の制御装置は、燃料電池に、定常用負荷と起動用負荷のいずれかを接続させる負荷切替手段と、起動用負荷の値を調整する負荷調整手段とを有し、燃料電池の起動時において、負荷切替手段は、燃料電池の負荷を起動用負荷に切り替え、負荷調整手段は、起動用負荷の負荷を段階的に増加させ、起動用負荷が規定負荷に達したときに、負荷切替手段は、燃料電池の負荷を起動用負荷から定常用負荷へ切り替えることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置の制御方法は、燃料電池の起動時において、燃料電池に、起動用負荷を接続するステップと、接続された起動用負荷の値を段階的に増加させるステップと、起動用負荷が規定負荷に達したときに、燃料電池に、起動用負荷から定常用負荷を接続するステップとを有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置のプログラムは、燃料電池の起動時において、燃料電池に、起動用負荷を接続する手順と、接続された起動用負荷の値を段階的に増加する手順と、起動用負荷が規定負荷に達したときに、燃料電池に、起動用負荷から定常用負荷を接続する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果が得られる。
本発明に係る燃料電池装置によれば、燃料電池の起動方法に関し、段階的に負荷を可変するようにしたので、各負荷可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の把握が容易である。また、各負荷可変における燃料のなじみ時間が想定できる。
即ち、なじみ時間を各負荷可変タイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなり、短時間で起動処理を行うことができる。
また、安定した負荷運転をするので信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池装置の全系統を示す図である。
図１において、１は燃料電池、２は電圧電流検出部、３はコンバータ回路部、４は負荷切り替え部、５は燃料供給系制御部、６は過電圧保護部、７はシステム制御部、８は起動用負荷部、９は保護回路部、１０はパーソナル・コンピュータなどの定常用負荷、１１は二次電池、１２は燃料電池装置である。
燃料電池１には、当該燃料電池の出力電圧及び電流を検出する電圧電流検出器２が、電圧電流検出器２にはコンバータ回路部３が、コンバータ回路部３には負荷切り替え部４が、負荷切り替え部４には保護回路部９が、保護回路部９にはパーソナル・コンピュータなどの負荷１０と二次電池１１が接続されている。
更に、燃料電池１に燃料が供給され始め、燃料電池１の出力電圧が上昇してきたとき、前記燃料電池の出力電圧を制限するために燃料電池１と電圧電流検出器２との間に過電圧保護部６が接続されている。また、前記負荷切り替え部４には、内部抵抗の高い起動用負荷８が並列接続されている。
前記図１の実施の形態において、燃料電池装置１２は、燃料を用いて発電する燃料電池１を備えている。前記燃料電池１には、電解質膜、空気極及び燃料極が設置されており、当該空気極及び当該燃料極は電解質膜を挟んで配置される。前記空気極は電解質膜の一面側に酸素成分を含んだ空気を供給し、前記燃料極は電解質膜の他面側に燃料として、例えば、メタノール水溶液等の水素成分を含んだ液体燃料供給する。
電解質膜は、陽子又は電子を透過できる物質で形成された透過膜であって、例えば、パーフルオロスルホン酸「Nafion」等の物質からなるプロトン導電性固体高分子膜等の高分子電解質膜で構成される。そこで、電解質膜では、燃料極側の液体燃料から水素陽子が透過し、この水素陽子と空気極側から供給される空気中の酸素とが結合する。この結合の結果、液体燃料内の水素に残留する電子が電気として外部に取り出され、この発電作用が電池として機能する。
燃料電池１では、液体燃料にメタノールを使用した場合には、空気極側には、電解質膜のプロトン触媒を媒介とする水素と酸素の反応により水（水蒸気）が発生し、燃料極側には、メタノールの分解により、気泡状の二酸化炭素が発生する。例えば、燃料極側に１モルのメタノールと１モルの水、空気極側に１モルの酸素を消費させ、理想的な化学変化による発電が生じた場合、その発電後は、空気極側に約３モルの水が生成され、燃料極側には約１モルの二酸化炭素が生じる。
燃料電池１が起動すると、燃料電池の出力電圧及び電流を検出する電圧電流検出部２は、燃料電池１の電圧及び電流を検出して検出信号Ｌを発生する。前記検出信号Ｌは制御情報としてシステム制御部７に入力される。前記システム制御部７は、前記検出信号Ｌを受けて、駆動信号Ｄ１、Ｄ２及びＤ３を発生する。燃料供給系制御部５は、燃料電池内への燃料の供給を制御するものであり、前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池への燃料供給を開始する。負荷切り替え部４は、燃料電池の出力電圧及び電流が流れる負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷或いはパーソナル・コンピュータなどの負荷１０のどちらかに切り替えるものであり、前記駆動信号Ｄ２を受けて、負荷の切り替えを行う。そして、起動用負荷部８は、負荷の増加を一定比率による電圧可変或いは電流可変により行うものであり、前記駆動信号Ｄ３を受けて起動用負荷の負荷増加を行う。
また、燃料電池１の急激な発電や動作停止などの負荷により、パーソナル・コンピュータなどの負荷１０は、電圧降下やサージなどの影響を受ける。この影響によるパーソナル・コンピュータの電源回路やマザーボードなどの故障を防止するため、保護回路９は停止信号Ｔを発生し、前記停止信号Ｔは制御情報としてシステム制御部７に加えられる。
前記システム制御部７は、マイクロプロセッサ等で構成され、制御プログラムによって、以上のように燃料電池１に対する燃料供給及び燃料供給停止並びに負荷制御などを実行する。
図２は、本発明の実施の形態における過電圧保護部６の過電圧保護回路の一例を示す図である。保護閾値電圧ＶｏｖはツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧Ｖｚｄ１と、トランジスタＴｒ１の電極であるベース・エミッタ間の順電圧ＶｂｅＴｒ１を合わせたものである。即ち、保護閾値電圧Ｖｏｖ＝Ｖｚｄ１＋ＶｂｅＴｒ１とする。
ツェナーダイオードは設定電圧Ｖｚｄ１より低い逆電圧が負荷されているときは電流は流れず、設定電圧よりも高い逆電圧がかかると急激に電流を流す。
トランジスタは３つの端子ベース、エミッタ、コレクタを持つ。ベース・エミッタ間のわずかな電流をON / OFFすることで、コレクタ・エミッタ間の大きな電流のON / OFFの制御ができ、ここにスイッチング作用が得られる。
過電圧保護回路にこれらの素子を適用する場合の一例として、図２のような回路を構成する。
過電圧保護回路のＡ点は燃料電池１に接続し、またＢ点は電圧電流検出部２に接続する。図２中のＡ−Ｂ間の電力ラインは、図１中の燃料電池１−電圧電流検出部２間の線と同一である。
以下に、過電圧保護部６の過電圧保護回路の動作について説明する。
燃料電池１の入力電圧ＶａがＶａ＜Ｖｏｖの時、即ちツェナーダイオードにかかる逆電圧が設定電圧より低い場合にはベース・エミッタ間には電流が流れないのでトランジスタはOFF状態になり、過電圧保護回路には電流が流れない。
一方入力電圧Ｖａが上昇し、Ｖｏｖを超えようとすると、ツェナーダイオードに電流が流れ始めるのでトランジスタのベース・エミッタ間にベース電流Ｉｂが流れることになりトランジスタがON状態になる。
ベース・エミッタ間に電流Ｉｂが流れるとコレクタ・エミッタ間にコレクタ電流Ｉｃが流れる。トランジスタでは、ベース電流Ｉｂがｈｆｅ倍されてコレクタ電流Ｉｃとなる。比例定数ｈｆｅを直流電流増幅率と呼び、ｈｆｅの値はおよそ１０〜１０００程度である。通常はｈｆｅ＝１００前後を目標に作られている品種が多い。
ベース電流Ｉｂに対してコレクタ電流Ｉｃが支配的になり、コレクタ電流Ｉｃに電流が大量に流れる状態では、過電圧保護回路のインピーダンスはほぼ０となるので出力電圧Ｖｂはこれ以上上昇できなくなる。
以上の過電圧保護回路の動作により、出力電圧Ｖｂは常にＶｏｖ以下に保たれる。
図３は、本発明の第１の実施の形態における負荷切り替え部４或いは、本発明の第２の実施の形態における負荷制限回路部１４にある負荷切り替え回路の一例を示す図である。
図中の電圧Ｖ１と電圧Ｖ２をロー電圧に設定すると、回路には電流が流れず燃料電池からの出力はなくなる。
また電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷に流れる。
また電圧Ｖ１をハイ電圧に、電圧Ｖ２をロー電圧に設定すると、燃料電池から出力された電流はパーソナル・コンピュータ或いは二次電池に流れる。
なお、パーソナル・コンピュータ或いは二次電池に電流が流れる回路には、燃料電池側への電流流入を防ぐために、流入防止用ダイオードを設けることが望ましい。このような負荷切り替え回路で、燃料電池出力は起動用負荷側とパーソナル・コンピュータ或いは二次電池側に切り替えられ、よって燃料電池装置が制御される。
そして、負荷切り替え回路のＣ点は燃料電池１の出力を受ける側に接続し、Ｄ点はパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に接続し、またＥ点は起動用負荷部８にある起動用負荷に接続する。またＶ１及びＶ２はシステム制御部７に接続する。システム制御部７は電圧Ｖ１及びＶ２を設定する駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、負荷切り替えを行う。
図３中のＣ−Ｄ間の電力ラインは、図１中のコンバータ回路部３−保護回路部９間の線と同一である。
図４は、本発明の第１の実施の形態における起動用負荷部８にある起動用負荷回路の一例を示す図である。該回路は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成している。
ＦＥＴは３つの端子を持ち、ＦＥＴを構成する三つのパートはソース（Ｓ）、ゲート（Ｇ）、ドレイン（Ｄ）と名づけられている。ソース（Ｓ）を基準としたゲート電圧Ｖｇｓが上昇するとソース（Ｓ）からドレイン（Ｄ）に流れる電流Ｉｄが劇的に上昇する。
起動用負荷回路に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を応用する場合は、システム制御部が駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は該駆動信号Ｄ３を受けて、電圧Ｖｇｓを制御する。
即ち、燃料電池１の起動時には、起動用負荷部８はシステム制御部７から電圧Ｖｇｓを閾値より高く設定する駆動信号Ｄ３を受ける。電圧Ｖｇｓが上昇すると、電流Ｉｄは起動用負荷回路側に流れる。そして、電圧Ｖｇｓを段階的に上昇させ、電流Ｉｄを増加させる。
一方、燃料電池１の起動が終了し、定常運転に移行した場合には、起動用負荷部８はシステム制御部７から電圧Ｖｇｓを閾値より低く設定する駆動信号Ｄ３を受ける。電圧Ｖｇｓが閾値より低くなることにより電流Ｉｄは起動用負荷回路側に流れなくなる。
グラフは、縦軸に電流Ｉｄ、横軸に電圧Ｖｇｓを表し、典型的な伝達特性を示している。
そして、起動用負荷回路のＥ点は負荷切り替え回路のＥ点に接続し、またＦ点はシステム制御部７に接続する。即ち、前記システム制御部７から発生した駆動信号Ｄ３は起動用負荷回路のＦ点に接続されている。
図５は、燃料電池１の初期状態を認識するための、図１のシステム構成内のシステム制御部７の動作を説明するためのフローチャートである。
次に、図１のシステムにおけるシステム制御部７の動作を、図５を参照して説明する。
まず、制御部に該当するシステム制御部７は運転指令を受けると、起動時において負荷の切り離しをするために駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４により起動用負荷８とパーソナル・コンピュータなどの負荷１０との両方の負荷の切り離しを行う。（ステップＳ３１）。
駆動信号D2により、負荷切替回路（図3）のV1、V2の電圧がローにされることより、起動用負荷８及び負荷１０の両者が切り離される。
負荷の切り離しが行われた後に、システム制御部７は燃料電池内への燃料の供給をするため、駆動信号Ｄ１を燃料供給系制御部に出力し、前記駆動信号Ｄ１を受けた燃料供給系制御部５は燃料系を駆動し、燃料電池内に燃料や酸素を供給する（ステップＳ３２）。
燃料電池内に燃料や酸素が充分に行き渡ると燃料電池１の発電が行われる。ここでの燃料電池１の発電は、負荷には接続されていない無負荷状態での発電である。そして、電圧電流検出部２は常時、燃料電池の電圧及び電流を読み取り、システム制御部７は、該電圧電流検出部２が読み取る燃料電池１の無負荷電圧Ｖｏを受信する（ステップＳ３３）。
システム制御部７は、電圧電流検出部２から送信される燃料電池１の無負荷電圧Ｖｏが制限電圧である電圧初期値Ｖａまで上昇したかを判断する（ステップＳ３４）。即ち、燃料電池１の内部に燃料が充分に行渡ったかどうかを判断する。
燃料電池１の無負荷電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａより低い場合は、ステップＳ３３に戻る。そして、システム制御部７は、電圧電流検出部２が読み取る燃料電池１の無負荷電圧Ｖｏの受信を継続する。また、燃料電池の無負荷電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａより高い場合は、システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断する。即ち、燃料が燃料電池内の燃料極側に潤沢に満たされた状態であると判断する。
図６は、燃料電池１の初期状態から起動時の制御が終了し定常運転に移行するまでの、図１のシステム構成内の動作を説明するためのフローチャートである。なお、電圧を基準に制御する場合を示したものである。
次に、図１のシステムにおけるシステム構成内の燃料電池起動処理を図６を参照して説明する。
システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断すると、電圧Ｖｎを電圧初期値Ｖａ、電流Ｉｎを電流初期値Ｉａと設定することで、負荷消費電力値Ｐｎを電圧初期値Ｖａ×電流初期値Ｉａより負荷消費電力初期値Ｐａと設定し、また現在の繰り返し回数ｔｎの規定の繰り返し回数ｔａを設定する（ステップＳ４０）。
システム制御部７は負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する（ステップＳ４１）。
負荷切り替え部４が、負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する回路動作は、図３で前述したように電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池１から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎに流れる。また、抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎの制御については、図７で後述する。
システム制御部７は、現在の繰り返し回数ｔｎを計測する（ステップＳ４２）。
電圧電流検出部２は、電圧Ｖｏ、電流Ｉｏを計測し、電力Ｐｏを電圧Ｖｏ×電流Ｉｏで計算する（ステップＳ４３）。
計測された電圧Ｖｏはセンス信号としてシステム制御部７に入力される。システム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定する（ステップＳ４４）。
電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上であれば、システム制御部７は起動用負荷部８に対して、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させる駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加する（ステップＳ４５）。
起動用負荷Ｐｎについて、前述の図４で起動用負荷部８は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、即ち起動用負荷Ｐｎ内の内部抵抗Ｒｎを可変することで、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。ここで、起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が数値マップにより変化量を可変させる場合と、入力により変化量を可変させる場合がある。システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは後述する図７の制御により一定値に保たれる。
以上のように、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加することにより、燃料電池１の初期状態から起動時において、燃料電池本体に急変を与えることなく電圧制御を行うことができる。
また、電圧Ｖｏを測定しながら起動用負荷Ｐｎを段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
また、段階的に変化させるため、各起動用負荷の可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量の把握が容易であり、また燃料のなじみ時間が想定できる。よって、なじみ時間を各起動用負荷のタイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなる。
次に、前記起動用負荷Ｐｎに対して、システム制御部７は、負荷消費電力の起動時上限値Ｐｂが予め設定している。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ４６）。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより低いと判断した場合は、起動を継続するためステップＳ４２に戻る。
そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
また、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより高いと判断すると、燃料電池の起動時制御を終了するために、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替え、システムの状態を定常状態に移行する。
前述のステップＳ４２からステップＳ４６のルートは、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇したときに辿るルートである。
また、ステップＳ４４で電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定し、電圧Ｖｏが設定値Ｖａより低い場合には、現在の繰り返し回数ｔｎが０かを判定する（ステップＳ４７）。
ｔｎ＝０ではない場合は、ステップＳ４２に戻る。そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
前述のステップＳ４２からステップ４４で電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａ以下の場合は、ステップＳ４７を辿り、そしてステップＳ４２に戻るルートは、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇しないときに辿るルートである。
また、ステップＳ４７でｔｎ＝０の場合は、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上がらないので、設定値Ｖｎを電圧の変化量Ｖｃ分減らして、設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとし、該設定値Ｖｎ−該電圧変化量Ｖｃを設定値Ｖｎにする（ステップＳ４８）。
システム制御部７は、電圧の設定値Ｖｎに対して電圧下限値Ｖｂを予め設定している。電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂ以上であるかを判定する（ステップＳ４９）。
このように、燃料電池１の電圧初期値Ｖａから電圧変化量Ｖｃを少しずつ減らし、電圧の下限として許容されている電圧下限値Ｖｂまで電圧を下げていく。
ステップＳ４９で、システム制御部７は、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより高いと判断すると、現在の繰り返し回数ｔｎを規定の繰り返し回数ｔａに再設定する。そして、前記設定値Ｖｎを設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとして、これが新たな初期値となってステップＳ４２に戻る。
電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎ以上、ここでは前述の設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃ以上であるかを判定する。
そして、電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎより低い場合には、ステップＳ４４からステップＳ４７、そしてステップＳ４７〜ステップＳ５０のルートを辿り処理を行うが、この場合は再度、前述の設定値Ｖｎから電圧変化量Ｖｃ分減らして、該電圧変化量Ｖｃが減った該設定値Ｖｎの値を使用してステップＳ４４で判断し、ステップＳ４４〜ステップＳ４６のルートを辿り処理を行う。
また、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンサ信号を受け、ステップＳ４９で前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂまで低くできる可能性がある。しかし、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより低いと判定した場合には、燃料電池１が故障している又は、燃料がなく電圧が上がらない燃料電池１の異常状態とみなされる。
そこで、システム制御部７は、燃料電池の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。
そして、燃料電池停止処理を行うため、（ステップＳ５１）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
図７は、燃料電池起動時に、起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎの可変する抵抗Ｒｎの制御例を表したフローチャートである。なお、抵抗体としてはトランジスタなどの静的なものでもスイッチングによる負荷などでもよい。
ここでは、図４にある電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を例に示し、電界効果トランジスタ内の内部抵抗Ｒｎを可変させて、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。
次に、図１のシステムにおける起動用負荷部８の内部動作を、図７を参照して説明する。まず、制御部に該当するシステム制御部７は運転指令を受けると、燃料電池１に対して、燃料電池１を起動するためのセンス信号を発生する。電圧電流検出部２は、燃料電池１からのバッテリの電圧情報として電圧Ｖｎ及び電流情報として電流Ｉｎを計測し、電力ＰｊをＶｎ×Ｉｎで計算する（ステップＳ１４０）。即ち、電力Ｐｊを計測することで、起動用負荷Ｐｎを制御している。
電圧電流検出部２から電力情報を受けたシステム制御部７は、計算された前記電力Ｐｊと起動用負荷Ｐｎとしての消費電力初期値Ｐｎとを比較判定する（ステップＳ１４１）。
そして、システム制御部７は、計算された電力Ｐｊが消費電力初期値Ｐｎより低いと判断した場合は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生する。起動用負荷部８は、前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎにある可変する抵抗Ｒｎから適切な抵抗値Ｒαを引く（ステップＳ１４２）。よって、抵抗が少なくなり、起動用負荷に流れる電流Ｉｎが増えて計算される電力Ｐｊは増し、消費電力初期値Ｐｎに近づく。
また、システム制御部７は、計算された電力Ｐｊが消費電力初期値Ｐｎと同じと判断した場合には、起動用負荷部８に対して駆動信号を発生せず、よって起動用負荷Ｐｎにある可変する抵抗Ｒｎはそのままの状態となる。
そして、システム制御部７は、計算された電力Ｐｊが消費電力初期値Ｐｎより高いと判断した場合は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生する。起動用負荷部８は、前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎにある可変する抵抗Ｒｎに適切な抵抗値Ｒαを足す（ステップＳ１４３）。よって、抵抗が多くなり、起動用負荷に流れる電流Ｉｎが減って計算される電力Ｐｊは減り、消費電力初期値Ｐｎに近づく。
以上のように、燃料電池起動時に起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎの制御動作を繰り返すことで、燃料電池１の起動処理を行うとき、内部抵抗Ｒｎを可変し、起動用負荷Ｐｎとしての消費電力初期値Ｐｎをタイミング毎に一定にするよう処理が行われる。
また、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が負荷可変比率を表した数値マップを利用して変化量を可変させる場合と、直接入力することにより変化量を可変させる場合がある。
負荷可変比率を表した数値マップの数値は、燃料電池の起動初期時は、負荷増加量を少量に、中間段階では比較的大幅に、負荷消費電力起動時上限値Ｐｂ近傍では、再び負荷増加量を少量にするように設けられている。前記の数値マップを利用することで、最も短時間に燃料電池を定常状態にできるようにするため、数値マップの数値は、燃料電池の状態により常時書き替え可能となっている。
システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは図７の制御により一定値に保たれる。
図８は、燃料電池１の初期状態から起動時の制御が終了し、定常運転に移行するまでの図１のシステム構成内の動作を説明するためのフローチャートである。なお、電流を基準に制御する場合を示したものである。
次に、図１のシステムにおけるシステム構成内の燃料電池起動処理を図８を参照して説明する。
システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断すると、電流Ｉｎを電流初期値Ｉａ、電圧Ｖｎを電圧初期値Ｖａと設定することで、負荷消費電力値Ｐｎを電流初期値Ｉａ×電圧初期値Ｖａより負荷消費電力初期値Ｐａと設定し、また現在の繰り返し回数ｔｎの規定の繰り返し回数ｔａを設定する（ステップＳ６０）。
システム制御部７は負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する（ステップＳ６１）。
負荷切り替え部４が、負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する回路動作は、図３で前述したように電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池１から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎに流れる。
システム制御部７は、現在の繰り返し回数ｔｎを計測する（ステップＳ６２）。
電圧電流検出部２は、電圧Ｖｏ、電流Ｉｏを計測し、電力Ｐｏを電圧Ｖｏ×電流Ｉｏで計算する（ステップＳ６３）。
計測された電流Ｉｏはセンス信号としてシステム制御部７に入力される。システム制御部７は電流Ｉｏが設定値Ｉｎ以下、ここでは電流初期値Ｉａ以下であるかを判定する（ステップＳ６４）。
電流Ｉｏが設定値Ｉｎ以下であれば、システム制御部７は起動用負荷部８に対して、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させる駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加する（ステップＳ６５）。
起動用負荷Ｐｎについて、前述の図４で起動用負荷部８は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、即ち起動用負荷Ｐｎ内の内部抵抗Ｒｎを可変することで、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。ここで、起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が数値マップにより変化量を可変させる場合と、入力により変化量を可変させる場合がある。システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは前述の図７の制御により一定値に保たれる。
以上にように、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加することにより、燃料電池１の初期状態から起動時において、燃料電池本体に急変を与えることなく電圧制御を行うことができる。
また、電流Ｉｏを測定しながら起動用負荷Ｐｎを段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
また、段階的に変化させるため、各起動用負荷の可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量の把握が容易であり、また燃料のなじみ時間が想定できる。
次に、前記起動用負荷Ｐｎに対して、システム制御部７は、負荷消費電力の起動時上限値Ｐｂが予め設定している。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ６６）。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより低いと判断した場合は、起動を継続するためステップＳ６２に戻る。
そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
また、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより高いと判断すると、燃料電池の起動時制御を終了するために、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替え、システムの状態を定常状態に移行する。
前述のステップＳ６２〜ステップＳ６６のルートは、電流Ｉｏが電流初期値Ｉａまで上昇しないときに辿るルートである。
また、ステップＳ６４で電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電流Ｉｏが設定値Ｉｎ以上、ここでは電流初期値Ｉａ以上であるかを判定し、電流Ｉｏが設定値Ｉｎより高い場合には、現在の繰り返し回数ｔｎが０かを判定する（ステップＳ６７）。
ｔｎ＝０ではない場合は、ステップＳ６２に戻る。そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
前述のステップＳ６２〜ステップＳ６４で電流Ｉｏが電流初期値Ｉａ以上の場合は、ステップＳ６７を辿り、そしてステップＳ６２に戻るルートは、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に、電流Ｉｏが電流初期値Ｉａまで上昇するときに辿るルートである。
またステップＳ６７でｔｎ＝０の場合は、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に電流Ｉｏが電流初期値Ｉａまで上昇してしまうので、設定値Ｉｎを電流の変化量Ｉｃ分増やして、設定値Ｉｎ＋電流変化量Ｉｃとし、該設定値Ｉｎ＋該電流変化量Ｉｃを設定値Ｉｎにする（ステップＳ６８）。
システム制御部７は、電流の設定値Ｉｎに対して電流上限値Ｉｂを予め設定している。電圧電流検出部２が計測した設定値Ｉｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂ以下であるかを判定する（ステップＳ６９）。
このように、燃料電池１の電流初期値Ｉｂから電流変化量Ｉｃを少しずつ増やし、電流の上限としての許容されている電流上限値Ｉｂまで電流を上げていく。
ステップＳ６９で、システム制御部７は、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂより低いと判断すると、現在の繰り返し回数ｔｎを規定の繰り返し回数ｔａに再設定する。そして、前記設定値Ｉｎを設定値Ｉｎ＋電流変化量Ｉｃとして、これが新たな初期値となってステップＳ６２に戻る。
電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電流Ｉｏが新たな初期値として設定した設定値Ｉｎ以下であるかを判定する。
そして、電流Ｉｏが新たな初期値をして設定した設定値Ｉｎより高い場合には、ステップＳ６４からステップＳ６７、そしてステップＳ６７〜ステップＳ７０のルートを辿り処理を行うが、この場合は再度、前述の設定値Ｉｎに電流変化量Ｉｃ分増やして、該電流変化量が増えた該設定値Ｉｎの値を使用してステップＳ６４で判断し、ステップＳ６４からステップＳ６６のルートを辿り処理を行う。
また、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｉｎのセンサ信号を受け、ステップＳ６９で前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂまで高くできる可能性がある。しかし、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂより高いと判定した場合には、燃料電池１が故障しているとみなされる。
そこで、システム制御部７は、燃料電池の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。そして、燃料電池停止処理を行うため（ステップＳ７１）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
図９は、燃料電池１の初期状態から起動時の制御が終了し、定常運転に移行するまでの図１のシステム構成内の動作を説明するためのフローチャートである。なお、電圧Ｖｏを基準にして制御し、起動用負荷部８にある起動用負荷を可変する前に、電流Ｉｏの制限確認を行うことで、燃料電池１の起動制御を行うものである。
次に、図１のシステムにおけるシステム構成内の燃料電池起動処理を図９を参照して説明する。
システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断すると、電圧Ｖｎを電圧初期値Ｖａ、電流Ｉｎを電流初期値Ｉａと設定することで、負荷消費電力値Ｐｎを電圧初期値Ｖａ×電流初期値Ｉａより負荷消費電力初期値Ｐａと設定し、また規定時間ｔｎの初期値ｔａを設定する（ステップＳ８０）。
システム制御部７は負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する（ステップＳ８１）。
負荷切り替え部４が、負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する回路動作は、図３で前述したように電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池１から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎに流れる。
システム制御部７は、現在の繰り返し回数ｔｎを計測する（ステップＳ８２）。
電圧電流検出部２は、電圧Ｖｏ、電流Ｉｏを計測し、電力Ｐｏを電圧Ｖｏ×電流Ｉｏで計算する（ステップＳ８３）。
計測された電圧Ｖｏはセンサ信号としてシステム制御部７に入力される。システム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定する（ステップＳ８４）。
電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上であれば、システム制御部７は、電圧電流検出部２が計測した電流Ｉｏが各電圧における電流上限値Ｉｂｎより低いかを判定する（ステップＳ８５）。
電流Ｉｏが各電圧における電流上限値Ｉｂｎより高い場合には、ステップＳ８２に戻る。
また、電流Ｉｏが各電圧における電流上限値Ｉｂｎより低い場合には、システム制御部７は起動用負荷部８に対して、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させる駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加する（ステップＳ８６）。
起動用負荷Ｐｎについて、前述の図４で起動用負荷部８は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、即ち起動用負荷Ｐｎ内の内部抵抗Ｒｎを可変することで、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。ここで、起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が数値マップにより変化量を可変させる場合と、入力により変化量を可変させる場合がある。システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは前述した図７の制御により一定値に保たれる。
以上のように、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加することにより、燃料電池１の初期状態から起動時において、燃料電池本体に急変を与えることなく電圧制御を行うことができる。
また、電流Ｉｏを測定しながら起動用負荷Ｐｎを段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
また、段階的に変化させるため、各起動用負荷の可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量の把握が容易であり、また燃料のなじみ時間が想定できる。よって、なじみ時間を各起動用負荷のタイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなる。
次に、前記起動用負荷Ｐｎに対して、システム制御部７は、負荷消費電力の起動時上限値Ｐｂが予め設定している。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ８７）。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより低いと判断した場合は、起動を継続するためステップＳ８２に戻る。
そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
また、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより高いと判断すると、燃料電池の起動時制御を終了するために、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替え、システムの状態を定常状態に移行する。
前述のステップＳ８２〜ステップＳ８７のルートは、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇し、更に電流Ｉｏが電流上限値Ｉｂｎ以下のときに辿るルートである。
また、ステップＳ８４で電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定し、電圧Ｖｏが設定値Ｖａより低い場合には、現在の繰り返し回数ｔｎが０かを判定する（ステップＳ８８）。
ｔｎ＝０ではない場合は、ステップＳ８２に戻る。そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
前述のステップＳ８２からステップＳ８４で電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａ以下の場合は、ステップＳ８８を辿り、そしてステップＳ８２に戻るルートは、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇しないときに辿るルートである。
またステップＳ８８でｔｎ＝０の場合は、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上がらないので、設定値Ｖｎを電圧の変化量Ｖｃ分減らして、設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとし、該設定値Ｖｎ−該電圧変化量Ｖｃを設定値Ｖｎにする（ステップＳ８９）。
システム制御部７は、電圧の設定値Ｖｎに対して電圧下限値Ｖｂを予め設定している。電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂ以上であるかを判定する（ステップＳ９０）。
このように、燃料電池１の電圧初期値Ｖａから電圧変化量Ｖｃを少しずつ減らし、電圧の下限として許容されている電圧下限値Ｖｂまで電圧を下げていく。
ステップＳ９０で、システム制御部７は、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより高いと判断すると、現在の繰り返し回数ｔｎを規定の繰り返し回数ｔａに再設定する。そして、前記設定値Ｖｎを設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとして、これが新たな初期値となってステップＳ８２に戻る。
電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎ以上、ここでは前述の設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃ以上であるかを判定する。
そして、電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎより低い場合には、ステップＳ８４からステップＳ８８、そしてステップＳ８８〜ステップＳ９１のルートを辿り処理を行うが、この場合は再度、前述の設定値Ｖｎから電圧変化量Ｖｃ分減らして、該電圧変化量Ｖｃが減った該設定値Ｖｎの値を使用してステップＳ８４で判断し、ステップＳ８４〜ステップＳ８７のルートを辿り処理を行う。
また、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンサ信号を受け、ステップＳ９０で前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂまで低くできる可能性がある。しかし、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより低いと判定した場合には、燃料電池１が故障している又は、燃料がなく電圧が上がらない燃料電池１の異常状態とみなされる。
そこで、システム制御部７は、燃料電池の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。
そして、燃料電池停止処理を行うため、（ステップＳ９２）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
図１０は、燃料電池１の初期状態から起動時の制御が終了し、定常運転に移行するまでの図１のシステム構成内の動作を説明するためのフローチャートである。なお、電流Ｉｏを基準にして制御し、起動用負荷部８にある起動用負荷を可変する前に、電圧Ｖｏの制限確認を行うことで、燃料電池１の起動制御を行うものである。
次に、図１のシステムにおけるシステム構成内の燃料電池起動処理を図１０を参照して説明する。
システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断すると、電圧Ｖｎを電圧初期値Ｖａ、電流Ｉｎを電流初期値Ｉａと設定することで、負荷消費電力値Ｐｎを電圧初期値Ｖａ×電流初期値Ｉａより負荷消費電力初期値Ｐａと設定し、また現在の繰り返し回数ｔｎの規定の繰り返し回数ｔａを設定する（ステップＳ１００）。
システム制御部７は負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する（ステップＳ１０１）。
負荷切り替え部４が、負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する回路動作は、図３で前述したように電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池１から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎに流れる。
システム制御部７は、規定時間ｔｎを計測する（ステップＳ１０２）。
電圧電流検出部２は、電圧Ｖｏ、電流Ｉｏを計測し、電力Ｐｏを電圧Ｖｏ×電流Ｉｏで計算する（ステップＳ１０３）。
計測された電流Ｉｏはセンス信号としてシステム制御部７に入力される。システム制御部７は電流Ｉｏが設定値Ｉｎ以下、ここでは電流初期値Ｉａ以下であるかを判定する（ステップＳ１０４）。
電流Ｉｏが設定値Ｉｎより低い場合には、システム制御部７は、電圧電流検出部２が計測した電圧Ｖｏが各電流における電圧下限値Ｖｂｎより高いかを判定する（ステップＳ１０５）。 電圧Ｖｏが各電流における電圧下限値Ｖｂｎより低い場合には、ステップＳ１０２に戻る。
また、電圧Ｖｏが各電流における電圧下限値Ｖｂｎ以上であればシステム制御部７は起動用負荷部８に対して、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させる駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加する（ステップＳ１０６）。
起動用負荷Ｐｎについて、前述の図４で起動用負荷部８は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、即ち起動用負荷Ｐｎ内の内部抵抗Ｒｎを可変することで、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。ここで、起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が数値マップにより変化量を可変させる場合と、入力により変化量を可変させる場合がある。システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは前述した図７の制御により一定値に保たれる。
以上のように、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加することにより、燃料電池１の初期状態から起動時において、燃料電池本体に急変を与えることなく電圧制御を行うことができる。
また、電圧Ｖｏを測定しながら起動用負荷Ｐｎを段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
また、段階的に変化させるため、各起動用負荷の可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量の把握が容易であり、また燃料のなじみ時間が想定できる。よって、なじみ時間を各起動用負荷のタイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなる。
次に、前記起動用負荷Ｐｎに対して、システム制御部７は、負荷消費電力の起動時上限値Ｐｂが予め設定している。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ１０７）。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより低いと判断した場合は、起動を継続するためステップＳ１０２に戻る。
そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
また、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより高いと判断すると、燃料電池の起動時制御を終了するために、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替え、システムの状態を定常状態に移行する。
前述のステップＳ１０２〜ステップＳ１０７のルートは、電圧Ｖｏが電圧下限値Ｖｂｎまで上昇したときに辿るルートである。
また、ステップＳ１０４で電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電流Ｉｏが設定値Ｉｎ以上、ここでは電流初期値Ｉａ以下であるかを判定し、電流Ｉｏが設定値Ｉｎより高い場合には、現在の繰り返し回数ｔｎが０かを判定する（ステップＳ１０８）。
ｔｎ＝０ではない場合は、ステップＳ１０２に戻る。そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
前述のステップＳ１０２〜ステップＳ１０４で電流Ｉｏが電流初期値Ｉａ以上の場合は、ステップＳ１０８を辿り、そしてステップＳ１０２に戻るルートは、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に、電流Ｉｏが電流初期値Ｉａよりも上昇するときに辿るルートである。
またステップＳ１０８でｔｎ＝０の場合は、現在の繰り返し回数ｔｎが、規定の繰り返し回数ｔａの間に電流Ｉｏが電流初期値Ｉａより上がるので、設定値Ｉｎを電流の変化量Ｉｃ分増やして、設定値Ｉｎ＋電流変化量Ｉｃとし、該設定値Ｉｎ＋該電流変化量Ｉｃを設定値Ｉｎにする（ステップＳ１０９）。
システム制御部７は、電流の設定値Ｉｎに対して電流上限値Ｉｂを予め設定している。電圧電流検出部２が計測した設定値Ｉｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂ以下であるかを判定する（ステップＳ１１０）。
このように、燃料電池１の電流初期値Ｉａに電流変化量Ｉｃを少しずつ増やし、電流の上限として許容されている電流上限値Ｉｂまで電流を上げていく。
ステップＳ１１０で、システム制御部７は、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂより低いと判断すると、現在の繰り返し回数ｔｎを規定の繰り返し回数ｔａに再設定する。そして、前記設定値Ｉｎを設定値Ｉｎ＋電流変化量Ｉｃとして、これが新たな初期値となってステップＳ１０２に戻る。
電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は、電流Ｉｏが新たな初期値として設定した設定値Ｉｎ以下であるかを判定する。
そして、電流Ｉｏが新たな初期値として設定した設定値Ｉｎより高い場合には、ステップＳ１０４からステップＳ１０８、そしてステップＳ１０８〜ステップＳ１１１のルートを辿り処理を行う。この場合は再度、前述の設定値Ｉｎに電流変化量Ｉｃ分を増やして、該電流変化量Ｉｃが増えた該設定値Ｉｎの値を使用してステップＳ１０４で判断し、ステップＳ１０４〜ステップＳ１０７のルートを辿り処理を行う。
また、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｉｎのセンサ信号を受け、ステップＳ１１０で前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂまで高くできる可能性がある。しかし、前記設定値Ｉｎが電流上限値Ｉｂより高いと判定した場合には、燃料電池１が故障している異常状態とみなされる。
そこで、システム制御部７は、燃料電池の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。
そして、燃料電池停止処理を行うため、（ステップＳ１１２）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
図１１は、燃料電池１の初期状態から起動時の制御が終了し、定常運転に移行するまでの図１のシステム構成内の動作を説明するためのフローチャートである。なお、電圧Ｖｏを基準にして制御し、起動用負荷部８にある起動用負荷を可変する前に、電流Ｉｏの制限確認を行うことで、燃料電池１の起動制御を行うものである。
次に、図１のシステムにおけるシステム構成内の燃料電池起動処理を図１１を参照して説明する。
システム制御部７は燃料電池１が初期状態であると判断すると、電圧Ｖｎを電圧初期値Ｖａ、電流Ｉｎを電流初期値Ｉａと設定することで、負荷消費電力値Ｐｎを電圧初期値Ｖａ×電流初期値Ｉａより負荷消費電力初期値Ｐａと設定し、また現在の繰り返し回数ｔｎの規定の繰り返し回数ｔａを設定する。ここでのｔａはシステム異常監視タイマーを意味する。また負荷増加待ちの現在の繰り返し回数ｔｐの規定の繰り返し回数ｔｂも設定する。ここでのｔｂは負荷増加待ちタイマーを意味する（ステップＳ１２０）。
システム制御部７は負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する（ステップＳ１２１）。
負荷切り替え部４が負荷を抵抗が可変する起動用負荷Ｐｎに接続する回路動作は、図３で前述したように電圧Ｖ１をロー電圧に、電圧Ｖ２をハイ電圧に設定すると、燃料電池１から出力された電流は起動用負荷部８にある起動用負荷Ｐｎに流れる。
システム制御部７は、現在の繰り返し回数ｔｎを計測する（ステップＳ１２２）。
電圧電流検出部２は、電圧Ｖｏ、電流Ｉｏを計測し、電力Ｐｏを電圧Ｖｏ×電流Ｉｏで計算する（ステップＳ１２３）。
計測された電圧Ｖｏはセンス信号としてシステム制御部７に入力される。システム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定する（ステップＳ１２４）。
電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上であれば、システム制御部７は、電圧電流検出部２が計測した電流Ｉｏが各電圧における電流上限値Ｉｂｎより低いかを判定する（ステップＳ１２５）。
そして、電流Ｉｏが各電圧における電流上限値Ｉｂｎより高い場合には、ステップＳ１２２に戻る。
また、ステップＳ１２５において、電流Ｉｏが各電圧における各電圧における電流上限値Ｉｂｎより低い場合には、システム制御部７は負荷増加待ちの現在の繰り返し回数ｔｐを計測する（ステップＳ１２６）。
負荷増加待ちの現在の繰り返し回数ｔｐが０の場合、システム制御部７は起動用負荷部８に対して、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させる駆動信号Ｄ３を発生し、起動用負荷部８は前記駆動信号Ｄ３を受けて、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加する（ステップＳ１２８）。
起動用負荷Ｐｎについて、前述の図４で起動用負荷部８は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、即ち起動用負荷Ｐｎ内の内部抵抗Ｒｎを可変することで、起動用負荷Ｐｎを一定値に制御する。ここで、起動用負荷部８の起動用負荷Ｐｎを段階的に増加させるには、システム制御部７が数値マップにより変化量を可変させる場合と、入力により変化量を可変させる場合がある。システム制御部７は、起動用負荷部８に対して駆動信号Ｄ３を発生し、駆動信号Ｄ３を受けた起動用負荷部８は、起動用負荷Ｐｎを変化量分だけ可変させる。そして、変化量分だけ増加した起動用負荷Ｐｎは後述する図７の制御により一定値に保たれる。
以上のように、起動用負荷Ｐｎを段階的に増加することにより、燃料電池１の初期状態から起動時において、燃料電池本体に急変を与えることなく電圧制御を行うことができる。
また、電圧Ｖｏを測定しながら起動用負荷Ｐｎを段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
また、段階的に変化させるため、各起動用負荷の可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量の把握が容易であり、また燃料のなじみ時間が想定できる。よって、なじみ時間を各起動用負荷のタイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなる。
次に、前記起動用負荷Ｐｎに対して、システム制御部７は、負荷消費電力の起動時上限値Ｐｂが予め設定している。
システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ１２９）。
ステップＳ１２９で、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより低いと判断すると、負荷増加待ちの現在の繰り返し回数ｔｐを規定の繰り返し回数ｔｂに再設定し、起動を継続するためステップＳ１２２に戻る。
また、ステップＳ１２９において、システム制御部７は、前記起動用負荷Ｐｎが前記起動時上限値Ｐｂより高いと判断すると、燃料電池の起動時制御を終了するために、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続する負荷を起動用負荷部８にある起動用負荷からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替え、システムの状態を定常状態に移行する。
前述のステップＳ１２４〜ステップＳ１３０のルートは、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇し、電流Ｉｏが電流上限値Ｉｂｎより低いときに辿るルートである。
また、ステップＳ１２４において、電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが設定値Ｖｎ以上、ここでは電圧初期値Ｖａ以上であるかを判定し、電圧Ｖｏが設定値Ｖｎより低い場合には、現在の繰り返し回数ｔｎが０かを判定する（ステップＳ１３１）。
ｔｎ＝０ではない場合は、ステップＳ１２２に戻る。そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
前述のステップＳ１２２〜ステップＳ１２４で電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａ以下の場合は、ステップＳ１３１を辿り、そしてステップＳ１２２に戻るルートは、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に、電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上昇しないときに辿るルートである。
また、ステップＳ１３１でｔｎ＝０の場合は、現在の繰り返し回数ｔｎが規定の繰り返し回数ｔａの間に電圧Ｖｏが電圧初期値Ｖａまで上がらないので、設定値Ｖｎを電圧の変化量Ｖｃ分減らして、設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとし、該設定値Ｖｎ−該電圧変化量Ｖｃを設定値Ｖｎにする（ステップＳ１３２）。
システム制御部７は、電圧の設定値Ｖｎに対して電圧下限値Ｖｂを予め設定している。電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂ以上であるかを判定する（ステップＳ１３３）。
このように、燃料電池１の電圧初期値Ｖａから電圧変化量Ｖｃを少しずつ減らし、電圧の下限として許容されている電圧下限値Ｖｂまで電圧を下げていく。
ステップＳ１３３で、システム制御部７は、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより高いと判断すると、現在の繰り返し回数ｔｎを規定の繰り返し回数ｔａに再設定する。
そして、前記設定値Ｖｎを設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃとして、これが新たな初期値となってステップＳ１２２に戻る。
電圧電流検出部２が計測した計測値をセンス信号で受けたシステム制御部７は電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎ以上、ここでは前述の設定値Ｖｎ−電圧変化量Ｖｃ以上であるかを判定する。
そして、電圧Ｖｏが新たな初期値として設定した設定値Ｖｎより低い場合には、ステップＳ１２４からステップＳ１３１、そしてステップＳ１３１〜ステップＳ１３４のルートを辿り処理を行うが、この場合は再度、前述の設定値Ｖｎから電圧変化量Ｖｃ分減らして、該電圧変化量Ｖｃが減った該設定値Ｖｎの値を使用してステップＳ１２４で判断し、ステップＳ１２４〜ステップＳ１２９のルートを辿り処理を行う。
また、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンサ信号を受け、ステップＳ１３３で前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂまで低くできる可能性がある。
しかし、前記設定値Ｖｎが電圧下限値Ｖｂより低いと判定した場合には、燃料電池１が故障している又は、燃料がなく電圧が上がらない燃料電池１の異常状態とみなされる。
そこで、システム制御部７は、燃料電池の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。
そして、燃料電池停止処理を行うため、（ステップＳ５１）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
そして、一定時間経過するまで電圧電流検出部２は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ、そして電力Ｐｏの計測を継続し、計測された計測値はセンス信号としてシステム制御部７に入力される。
また、ステップＳ１３３において、システム制御部７は電圧電流検出部２が計測した設定値Ｖｎのセンス信号を受け、前記設定値Ｖｎが前記電圧下限値Ｖｂより高いと判定した場合には、燃料電池１の異常とみなす。
そこで、システム制御部７は、燃料電池１の停止に向けて、負荷切り替え部４に対して駆動信号Ｄ２を発生し、負荷切り替え部４は前記駆動信号Ｄ２を受けて、接続されている起動用負荷部８にある起動用負荷の切り離しを行う。
そして、燃料電池停止処理を行うため、（ステップＳ１３５）、システム制御部７は、燃料供給系制御部５に対して駆動信号Ｄ１を発生し、燃料供給系制御部５は前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池内の燃料の排出処理などの終了処理を行う。
図１２は、図１のシステムにおけるシステム構成内の電圧電流検出部２で計測される電圧、電流、電力の変化の例を示したものである。縦軸に電圧、電流、電力変化を、横軸に時間変化を示している。
図１２において横軸の時間変化の時間０から時間８までは、図５の燃料電池初期状態を認識するフローチャートにある制御の電圧、電流、電力変化を示している。負荷切り替え部４は起動用負荷８とパーソナル・コンピュータなどの負荷１０との両方の負荷の切り離しを行い、システム制御部７は燃料電池内への燃料の供給をするために駆動信号を発生し、前記駆動信号を受けて燃料供給系制御部は燃料を駆動し、燃料電池内に燃料や酸素を供給する。そして、電圧が時間８に達した辺りを、燃料が燃料電池内の燃料極側に潤沢に満たされた状態であると判断する。
図１２において横軸の時間変化の時間８からは、図６の燃料電池起動処理を認識するフローチャートにある制御の電圧、電流、電力変化を示している。横軸の時間変化の時間８から時間１８までは、燃料電池１の起動処理を行っているため、負荷切り替え部４は、負荷を起動用負荷部８に接続し、起動用負荷部８にある起動用負荷を段階的に増加している。起動用負荷を増加すると、電圧が瞬間的に大きく下がり、大電流が流れる。この時、燃料電池内の燃料極側に満たされた状態の燃料が、起動用負荷を増加すると瞬間的に少なくなり、その後時間が経過するにつれ、燃料が再び燃料極側に満たされた状態となり安定する。安定した段階で、再び起動用負荷を増加し、前述の動作を繰り返しながら、電力を効率的に上げる。このように、起動用負荷を段階的に増加することで、燃料電池内の電解質膜に液体の燃料を充分に浸透させ、燃料電池の出力を本来の必要出力に到達させる。
そして、電力が必要な電力に到達する時間18で、燃料電池の起動処理を終了し、負荷切り替え部４は、負荷を起動用負荷部８からパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に接続を切り替える。燃料電池からは安定した出力電力が得られ、システムは定常状態となる。
以上から、起動用負荷を段階的に増加することで、燃料電池１の起動時に係る時間を短縮することができる。さらに、電圧・電流を測定しながら起動用負荷を段階的に増加するので、安定した負荷運転が行え、信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。
図１３は、燃料電池の初期状態で負荷切り替え部４が負荷を切り離す本発明を適用した場合と、燃料電池の初期状態から負荷を接続した場合の燃料電池の出力変化の例を示したものである。
縦軸に燃料電池の出力電力変化を、横軸に時間変化を示している。図１３に示されるように燃料電池の初期状態から負荷を接続した従来方法と比較し、本発明の適用により大幅に目標出力達成までの時間が短くなることがわかる。
本発明は、燃料電池内のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）内の電解質膜に液体燃料を浸透させるための技術である。
本発明の起動処理は、燃料電池停止状態から定格出力発電可能状態に移行させる処理を指す。前記燃料電池停止状態は、ＭＥＡから燃料成分を除去し湿気中で保存させている状態を表している。
また、定格出力発電可能状態は、ＭＥＡ内に燃料を充満させると共に、ＭＥＡの中心部の電解質膜にも十分燃料となじんでいる状態、即ち電解質膜全体でプロトン伝導が行われる状態を表している。
従来方法として、（１）起動時から負荷を固定する方法（２）起動時から負荷を連続的に可変する方法がある。
（１）起動時から負荷を固定する方法においては、燃料電池停止状態から定格出力発電可能状態に移行するためには、液体燃料が電解質膜内に自然に浸透する時間が必要となる。電解質膜が炭化水素系のものでは数時間〜数日必要となる。
（２）起動時から負荷を連続的に可変する方法においても、燃料電池停止状態から定格出力発電可能状態に移行するためには、液体燃料が電解質膜内に自然に浸透する時間が必要となる。そこで、負荷をかけることにより電解質膜近傍での分子活動が活発にする。この際、発熱も伴う。一般的に電解質膜は、温度が高いほど高性能を発揮しやすいため、電解質膜と燃料が十分なじむまでの時間が短縮される傾向にある。
しかし、連続可変の場合、以下のどちらの理由で出力増加したのか判断が難しい。理由１として、負荷の可変により瞬間的に大電流が流れたため。これは、燃料電池の出力電圧が、瞬間的には変化せず、負荷変化直後は電流のみ多く流れやがて一定の電流に落ち着く傾向がある。理由２として、負荷増加により電解質膜に燃料が充分になじんだため。
よって、燃料電池による燃料電池の負荷を連続的に変化させる場合、充分に長い時間間隔をおいて負荷変化を行う必要がある。
しかしながら本発明では、負荷を段階的に可変させるため、各負荷可変のタイミングごとに負荷可変における大電流の量を把握することが可能である。また、負荷可変における燃料のなじみ時間が想定できる。よって、なじみ時間を各負荷可変のタイミングごとに最適に設定でき、不必要に長時間化させた負荷変化を行う必要がなくなる。
第２の実施の形態
本発明の第２に実施の形態について、図１４を参照して説明する。図１４は、第２の実施の形態に係る燃料電池装置の全系統を示す図である。なお、図１４において、図１と同じ部分には同一符号を付してある。
図１４において、１は燃料電池、２は電圧電流検出部、３はコンバータ回路部、１４は負荷制限回路部、５は燃料供給系制御部、６は過電圧保護部、７はシステム制御部、９は保護回路部、１０はパーソナル・コンピュータなどの負荷、１１は二次電池、２２は燃料電池装置である。
燃料電池１には、当該燃料電池の出力電圧及び電流を検出する電圧電流検出器２が、電圧電流検出器２にはコンバータ回路部３が、コンバータ回路部３には負荷制限回路部１４が、負荷制限回路部１４には保護回路部９が、保護回路部９にはパーソナル・コンピュータなどの負荷１０と二次電池１１が接続されている。更に、燃料電池１に燃料を供給し始め、燃料電池１の出力電圧が上昇してきたとき、その出力電圧を制限するために燃料電池１と電圧電流検出器２との間に過電圧保護部６を接続する。また、第２に実施の形態に係る燃料電池装置では、第１の実施の形態に係る燃料電池装置内の起動用負荷を二次電池やパーソナル・コンピュータなどで代用する。即ち、負荷制限回路部１４は、燃料電池に対して負荷となる二次電池やパーソナル・コンピュータなどが燃料電池出力と同等程度の負荷とできるものであれば、二次電池やパーソナル・コンピュータなどで代用できる。
そして、燃料電池に供給するための燃料として例えば、メタノールを燃料供給系制御部５がシステム制御部７からの運転指令によって燃料電池１に供給する。
燃料電池１が起動すると、燃料電池１の出力電圧及び電流を検出する電圧電流検出部２は、燃料電池１の電圧及び電流を検出して検出信号Ｌを発生する。前記検出信号Ｌは制御情報としてシステム制御部７に入力される。前記システム制御部７は、前記検出信号Ｌを受けて、駆動信号Ｄ１及びＤ２を発生する。燃料供給系制御部５は、燃料電池内への燃料の供給を制御するものであり、前記駆動信号Ｄ１を受けて、燃料電池への燃料供給を開始する。負荷制限回路部１４は、燃料電池の出力電圧及び電流が流れる負荷を段階的に増加して制限するものであり、また負荷をパーソナル・コンピュータなどの負荷１０に切り替えるものでもある。
負荷制限回路部１４は、前記駆動信号Ｄ２を受けて、負荷制限回路の負荷を段階的に増加する。また、負荷制限回路部１４は、負荷を一定比率による電圧可変或いは電流可変に基き行う。
また、燃料電池１の急激な発電や動作停止などにより、パーソナル・コンピュータなどの負荷１０は、電圧降下やサージなどの影響を受ける。この影響によるパーソナル・コンピュータの電源回路やマザーボードなどの故障を防止するため、保護回路９は停止信号Ｔを発生し、この停止信号Ｔは制御情報としてシステム制御部７に加えられる。このシステム制御部７は、マイクロプロセッサ等で構成され、制御プログラムによって、燃料電池１に対する燃料供給及び燃料供給停止、負荷制御などを実行する。
第１の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。 第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池装置の過電圧保護回路図を示す。 第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池装置の負荷切換回路図を示す。 第１の実施の形態に係る燃料電池装置の起動負荷回路図を示す。 燃料電池初期状態を示すフローチャートである。 本発明の電圧上限可変の場合の燃料電池起動処理フローチャートである。 起動時負荷制御の一例を示す図である。 本発明の電流下限可変の場合の燃料電池起動処理フローチャートである。 本発明の電圧重視電流複合可変の場合の燃料電池起動処理フローチャートであ る。 本発明の電流重視電圧複合可変の場合の燃料電池起動処理フローチャートであ る。 本発明の電圧重視電流複合可変で負荷増加タイマー付きの場合の燃料電池起動 処理フローチャートである。 本発明適用時の電圧、電流、電力の時間変化の例を示す図である。 本発明の処理有無での出力特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池
２ 電圧電流検出部
３ コンバータ回路部
４ 負荷切り替え部
５ 燃料供給系制御部
６ 過電圧保護部
７ システム制御部
８ 起動用負荷部
９ 保護回路部
１０ 負荷
１１ 二次電池
１２ 燃料電池装置


Claims (6)

  1. 燃料電池より当該燃料電池の定常状態の際に接続する定常用負荷に対して電力を供給する燃料電池装置において、
    起動用負荷と、
    前記燃料電池に、前記定常用負荷と前記起動用負荷のいずれかを接続する負荷切替手段と、
    前記起動用負荷の値を調整する負荷調整手段とを有し、
    前記燃料電池の起動時において、前記負荷切替手段は、前記燃料電池の負荷を前記起動用負荷に切り替え、
    前記負荷調整手段は、前記起動用負荷の負荷を段階的に増加させ、
    当該起動用負荷が規定負荷に達したときに、前記負荷切替手段は、燃料電池の負荷を前記起動用負荷から前記定常用負荷へ切り替えることを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記負荷調整手段は、前記燃料電池の出力電流が規定値の電流以上と判断すると、前記起動用負荷の増加を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  3. 前記負荷調整手段は、前記燃料電池の出力電圧が規定値の電圧以下と判断すると、前記起動用負荷の増加を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  4. 燃料電池より当該燃料電池の定常状態の際に接続する定常用負荷に対して電力を供給する
    ための制御装置において、
    前記燃料電池に、前記定常用負荷と起動用負荷のいずれかを接続させる負荷切替手段と、
    前記起動用負荷の値を調整する負荷調整手段とを有し、
    前記燃料電池の起動時において、前記負荷切替手段は、前記燃料電池の負荷を前記起動用
    負荷に切り替え、
    前記負荷調整手段は、前記起動用負荷の負荷を段階的に増加させ、
    当該起動用負荷が規定負荷に達したときに、前記負荷切替手段は、燃料電池の負荷を前記
    起動用負荷から前記定常用負荷へ切り替えることを特徴とする制御装置。
  5. 定常用負荷と起動用負荷を有し、燃料電池より当該燃料電池の定常状態の際に、前記定常
    用負荷に対して電力を供給する燃料電池装置の制御方法において、
    前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池に、前記起動用負荷を接続するステップと、
    前記接続された起動用負荷の値を段階的に増加させるステップと、
    当該起動用負荷が規定負荷に達したときに、前記燃料電池に、前記起動用負荷から前記定常用負荷を接続するステップとを有することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
  6. 定常用負荷と起動用負荷を有し、燃料電池より当該燃料電池の定常状態の際に、前記定常
    用負荷に対して電力を供給する燃料電池装置のプログラムにおいて、
    前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池に、前記起動用負荷を接続する手順と、
    前記接続された起動用負荷の値を段階的に増加する手順と、
    当該起動用負荷が規定負荷に達したときに、前記燃料電池に、前記起動用負荷から前記定常用負荷を接続する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池装置のプログラム。
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